彩色PLA 煙用絲束及濾嘴棒的制備方法

陳水平，李海山，蔣志輝，王 靜，院國軍，韓 軍

（1.湖北金葉玉陽化纖有限公司，湖北 宜昌 444100；2.昆明瑞豐印刷有限公司，云南 昆明 650217；3.陜西金葉印務(wù)有限公司，陜西 西安 710000）

隨著科技進步和人民生活水平的提高，各種新穎、獨特的香煙濾嘴棒[1]陸續(xù)推出，在提升卷煙產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)的同時，也強化了煙民的視覺效果和品質(zhì)感，得到了廣大煙民的歡迎和認可。作為新型特種濾棒的一種，彩色濾嘴棒的研發(fā)也引起了部分科研人員的重視。

對濾嘴棒來說，安全衛(wèi)生指標至關(guān)重要，實行一票否決制。從濾棒的生產(chǎn)工藝和安全角度考慮，彩色絲束的制備不能像紡織品那樣通過印染的方式來完成，只能考慮比較安全的原液著色方式對煙用絲束進行染色，然后用彩色煙用絲束進一步加工制成幻彩濾嘴棒。

單純從技術(shù)角度考慮，醋纖絲束也可以通過原液著色的方式生產(chǎn)出彩色絲束[2]，但是在彩色絲束生產(chǎn)轉(zhuǎn)換時，需要較長時間用丙酮清洗漿液儲罐和輸送管道，特別是由彩色絲束轉(zhuǎn)換成白色絲束時，有時需要一周左右才能徹底清洗干凈，從而使生產(chǎn)成本大幅上升。醋纖絲束的生產(chǎn)裝置年產(chǎn)量大都在萬噸以上，一些廠家曾嘗試過開發(fā)彩色絲束，但最終因產(chǎn)品過渡時清洗麻煩、成本過高，放棄了彩色醋纖絲束的生產(chǎn)。

聚乳酸（PLA）擁有良好的安全環(huán)保性能，PLA 薄膜濾棒和PLA 纖維濾棒已開始在部分的卷煙品牌上應(yīng)用推廣。由于聚乳酸是采用熔融法紡絲，工藝流程短、產(chǎn)品轉(zhuǎn)換靈活、過渡清洗成本低，在彩色絲束生產(chǎn)方面有較大優(yōu)勢，有必要對彩色PLA 絲束及濾棒進行研究。

1 PLA 纖維原液著色

原液著色是指在聚合物合成或紡絲過程中，在原料中加入顏料或染料，使顏料或染料與聚合物一起進入螺桿擠出機，在熔融輸送過程中顏料顆粒會分散在聚合物熔體中，有機染料也會溶解在聚合物熔體中，經(jīng)噴絲孔擠出后，可直接生產(chǎn)出有色纖維。該方法具有生產(chǎn)工藝簡單、污染物排放少、制品色澤均勻和著色牢度高等優(yōu)點，是一項節(jié)能環(huán)保的著色技術(shù)[3-4]，能充分發(fā)揮PLA 纖維綠色環(huán)保的優(yōu)勢。

1.1 著色劑與著色原理

著色劑分為染料和顏料兩大類。染料通過溶解于媒介中進行染色，PLA 具有疏水親油性，與有機染料相容性好，有機染料可以通過熔融共混與PLA 均勻混合而染色，也可以通過與PLA 端部的羧基和羥基進行化學(xué)結(jié)合而增加著色效果。顏料是通過均勻分布在纖維內(nèi)的細微顆粒對光線進行吸收、反射和折射等作用使纖維達到著色效果，其著色過程沒有化學(xué)變化，只要顏料能以微粒狀態(tài)均勻分散在PLA 纖維中即可，對與PLA 的親和力和結(jié)合力要求低，因此顏料的選擇范圍相應(yīng)較寬。

1.2 著色工藝

纖維原液著色工藝可以分為聚合過程著色和紡絲過程著色。針對采用熔融紡絲的PLA 纖維來說，根據(jù)著色劑的處理方法不同又可分為直接染料著色和色母粒著色2 種。

1.2.1 聚合階段著色法

這是一種在聚合物合成時加入著色劑，直接生產(chǎn)出有色聚合物，再將著色聚合物紡成有色纖維的方法。由于著色劑會玷污反應(yīng)釜，更換顏色時清洗成本高、非常麻煩，只適用于單品種大批量生產(chǎn)。對聚乳酸樹脂來說，目前還沒有批量的彩色工業(yè)產(chǎn)品銷售。

1.2.2 直接染料著色法

直接染料著色法是將有機染料與聚合物樹脂，按一定比例直接混合后進行熔融紡絲的方法。部分有機染料與PLA 樹脂相容性好，在常溫或加熱狀態(tài)下有一定粘合性，通過攪拌后可以粘附在PLA 樹脂上達到均勻混合。該方法染料會污染混合加料系統(tǒng)，更換顏色時需要進行清洗，或者選擇不同的混合加料裝置，但清洗成本并不高，具有一定的經(jīng)濟性和實用性。

1.2.3 色母粒著色法

這是先將著色劑制成色母粒，然后在紡絲時加入色母粒使聚合物熔體著色，進而生產(chǎn)出著色纖維的方法，其特點為：上料可采用氣流輸送、自動化程度高；該方法的上料過程不產(chǎn)生污染，對紡絲機污染較小，過度清洗成本低、經(jīng)濟高效；纖維的顏色可通過調(diào)節(jié)色母粒添加量精確量化；顏色更換也方便快捷。

此外，還可以通過在色母粒中添加一些功能成分物質(zhì)，進而使著色纖維附加上一些功能，比如消光、抗靜電、耐熱性、粘接性和選擇性吸附等。色母粒著色法是目前纖維原液著色應(yīng)用中最成功、最廣范的方法[5-7]。

1.3 PLA 纖維原液著色

原液著色PLA 纖維通常是使用聚乳酸作為載體型色母，再與本白色的聚乳酸熔體混合而制備成有色熔體，再紡制成有色纖維。

王寧寧等[8]采用聚乳酸作載體樹脂、木質(zhì)素作顏料，制備出可生物降解的“木質(zhì)素/聚乳酸”色母粒，該色母粒熔融后為典型的假塑性流體，可以著色聚乳酸制品。木質(zhì)素的加入使材料黏度降低，當木質(zhì)素加入比例為25%時，色母粒的遮蓋力和著色力最強。

董浩等[9]針對聚乳酸原液著色過程中炭黑與聚乳酸相容性差導(dǎo)致其力學(xué)性能下降的問題，采用原位聚合法制備了聚乳酸改性炭黑，并對聚乳酸纖維進行原液著色，在丙交酯單體的用量為1.5g、聚合時間為6h和聚合溫度為70℃時，制備出的改性炭黑的粒徑最小，為184.2nm，且其在聚乳酸紡絲溶劑中可以穩(wěn)定分散，與聚乳酸相容性良好，分散更為均勻；與未改性的炭黑相比，加入炭黑后PLA 纖維的拉伸強力和斷裂伸長率分別得到不同程度的提高。

張帥[10]使用多種納米顏料調(diào)配得到橙黃、紫紅兩種拼色顏料，同時通過對紅、黃、藍三原色顏料，紫色、綠色兩種間色顏料，以及橙黃、紫紅兩種拼色顏料進行原液著色試驗，結(jié)果表明了PLA 原液著色具有完整、齊全的色譜。

1.4 色母粒原液著色PLA 纖維的應(yīng)用

李文俊等[11]將3 種干燥的聚乳酸切片，分別加入3種色母粒，用3 個擠出機擠出并計量，分別得到第1、第2、第3 紡絲熔體，將得到的第1、第2 及第3 紡絲熔體引入紡絲箱，并通過各自的熔體流道流向噴絲板，從噴絲孔匯合并擠出，經(jīng)吹風冷卻和上油，得到初生纖維，初生纖維經(jīng)平衡后再依次經(jīng)預(yù)牽伸、主牽伸、網(wǎng)絡(luò)、熱盤定型和卷繞成筒，得到成品纖維。該纖維3 個葉的顏色和性能不同，具有豐富的彩色效果及優(yōu)異的蓬松性和透氣性。

尚佳[12]采用聚乳酸切片和色母?；旌希诩訜崛廴诤蠼?jīng)噴絲板擠出成型，經(jīng)拉伸和熱處理后得到具備顏色的聚乳酸纖維色絲，色絲截面呈圓形或長方形，可直接用于純紡或色紡，色絲呈中空狀，提升了纖維的保暖性和吸濕排汗性能，同時由于聚乳酸具備的天然抗菌抑菌等性能，因此在紡絲階段無需加入任何抗菌材料，即可實現(xiàn)色絲的天然抗菌抑菌性能。

2 彩色PLA 煙用絲束和濾棒的開發(fā)研究

2.1 加入顏料（色母粒）著色

吳景強等[13]采用不同熔點的聚乳酸母粒、精制的有機和無機顏料以及蠟類、樹脂類或硬脂酸鹽類分散劑，混合均勻后熔融紡絲制備出彩色PLA 絲束，用彩色絲束進一步可以制備出相應(yīng)的彩色PLA 濾棒。其中，有機顏料為酞青紅、酞青藍、酞青綠、永固黃、永固紫和偶氮紅；無機顏料為鎘紅、鎘黃、鈦白、炭黑、氧化鐵黃和氧化鐵紅。

2.2 紡絲過程中化學(xué)反應(yīng)著色

糖可以與氨基化合物進行美拉德反應(yīng)產(chǎn)生褐變。沒有氨基化合物時，糖類物質(zhì)加熱到熔點以上的高溫就會發(fā)生脫水與降解，進行焦糖化反應(yīng)產(chǎn)生褐變。

利用焦糖化及美拉德褐變反應(yīng)，將適當比例的糖類物質(zhì)、氨基化合物與聚乳酸共混，然后加入到螺桿擠出機中進行熔融紡絲，通過調(diào)整紡絲溫度、糖類物質(zhì)和氨基化合物的比例，可以生產(chǎn)出從淺黃、黃色、棕色直到褐色等一系列彩色聚乳酸煙用絲束[14]。

2.3 加入天然有機色素著色

天然色素如番茄紅素、葉黃素等，由于穩(wěn)定性差，在傳統(tǒng)纖維和紡織印染過程中不能使用。鑒于天然色素良好的安全性能，以及煙用絲束和濾棒都是避光密閉儲存、卷煙為一次性消費的特殊性，可采用直接染料著色法，將番茄紅素、葉黃素及其酯類等天然有機色素直接與PLA 樹脂按一定比例進行混合，然后投入螺桿擠出機中進行熔融紡絲，通過調(diào)節(jié)色素比例和紡絲溫度，可生產(chǎn)出從金黃、正黃、檸檬黃和淺黃等一系列彩色聚乳酸纖維[15]。

番茄紅素、葉黃素等這些天然色素在日曬、高溫等條件下容易被氧化變色，PLA 紡絲時在高溫下容易發(fā)生氧化降解，上述色素和PLA 樹脂混合紡絲時可產(chǎn)生協(xié)同抑制作用。PLA 樹脂氧化降解生成的少量羧基基團也有可能與天然色素反應(yīng)，生成新的酯類色素，進而增加天然色素的穩(wěn)定性。這些有機色素與PLA 相容性好、可紡性好，可添加物質(zhì)的比例高，但是添加比例高時會讓絲束的結(jié)晶度下降、耐熱性下降，經(jīng)過研究認為，添加物的比例在1%以內(nèi)最為適宜。

3 PLA 幻彩（多彩）濾棒的開發(fā)

在彩色PLA 濾棒的研發(fā)過程中，可將不同顏色的PLA 初生纖維集束合并后進行牽伸、卷曲等后加工制作，制備出多種顏色（多彩/幻彩）的PLA 絲束，然后用PLA 幻彩絲束、醋酸纖維絲束，在雙開松濾棒成型機上經(jīng)導(dǎo)絲、開松、施加固化劑、混合成型、分切和包裝等工序，制備出PLA 幻彩濾棒[16]。

由于PLA 幻彩絲束在濾棒中的位置、外觀圖案不固定，不同顏色絲束混合疊加后在視角上顏色又發(fā)生變化，呈現(xiàn)出魔幻色彩。PLA 絲束將其特有的弱酸性、疏水性、降溫性、抑菌性和降解性等優(yōu)良性能帶入醋纖過濾材料，賦予新的過濾材料更好的過濾效果和抽吸品質(zhì)。

幻彩過濾材料尤其適用于煙用過濾嘴行業(yè)，在外觀上具有不固定的魔幻色彩，新穎、獨特，視覺沖擊力強。在過濾性能方面采用差別化的絲束規(guī)格和二種材料的絲束，可以兼顧醋酸纖維絲束和聚乳酸（PLA）絲束的性能優(yōu)勢，調(diào)節(jié)煙氣在濾棒中的運行軌跡和嘴棒的吸附行為，能進一步改善卷煙的吸味，提升卷煙的吸食品質(zhì)。

4 結(jié)語

聚乳酸（PLA）纖維絲束是采用熔融法紡絲，工藝流程短、產(chǎn)品轉(zhuǎn)換靈活、過渡清洗成本低，在彩色絲束生產(chǎn)方面有較大優(yōu)勢。鑒于彩色聚乳酸（PLA）濾棒是與口腔接觸的一次性產(chǎn)品，必須把安全性放在首位，只能采用原液著色的方式?？紤]到PLA 絲束及濾棒產(chǎn)品采用密封儲存，以及接裝的卷煙打開后會短時間內(nèi)抽完、廢棄的特點，可以采用加入天然色素和利用糖焦化反應(yīng)的方式生產(chǎn)彩色絲束，這是與民用纖維原液著色的不同之處，對彩色煙用絲束的開發(fā)不失為一種較好的方式。